Tänk dig att bygga en stad med bara två typer av byggnader:röda hem och gröna kontor. Du sprider byggnaderna jämnt, växlande rött och grönt. Nu, tänk dig samma stad med stadsdelar och affärsdistrikt. 3D-kartan skulle ha olika områden med rött och grönt. Dr Xiao-Ying Yu vid DOE:s Pacific Northwest National Laboratory och hennes kollegor slutade med en liknande karta när de fördjupade sig i ett populärt lösningsmedel, känd som en omkopplingsbar jonvätska, eller SWIL. Teamet ritade den första kemiska kartan över en SWIL.

"Vi såg något som ingen hade sett förut - kemi som ingen hade sett tidigare, "sa Yu, PNNL -kemisten som ledde laget.

Dessa omkopplingsbara vätskor fångar upp koldioxid, fungera som mallar för små designerpartiklar och extrahera önskvärda kemikalier från biomassa. SWIL är lättare att kontrollera och producerar mindre avfall än konventionella tekniker. Dock, forskare visste inte exakt vad som hände inuti vätskan. Teamets forskning ger en detaljerad karta över hur SWILs fungerar. Studien ger forskare insikter för att bättre kontrollera befintliga SWILs och att designa nya, mer effektiva vätskor för grön separation. Dessutom, SWIL kan också fungera som mjuka mallar för att skapa extremt små strukturer.

"Det ger oss en djupare förståelse för vad lösningsmedlen gör och hur de beter sig, "sa doktor David Heldebrant, en PNNL -forskare som studerar koldioxidens kemi.

Används för att fånga upp koldioxid, syntetisera nanopartiklar och hjälper till att förvandla biomassa till biobränslen, SWILs är ett populärt lösningsmedel. Tyvärr, dessa vätskor är svåra att kontrollera och förbättra. Varför? Vätskornas inre funktion var ett mysterium. Medan många trodde att SWILs var homogena när de var helt fyllda med koldioxid, laget var inte övertygad. Arbetar med teoretiker på PNNL, Yu och hennes kollegor undersökte beräkningssimuleringar och beräkningar som visade olika regioner i SWIL:erna, även när kemin sa att den borde vara homogen.

Teamet tog ett tvåspetsigt tillvägagångssätt för att upprätta en 3D-kemisk karta över en SWIL. En involverade att analysera vätskan med hjälp av instrument som en sekundär jonmasspektrometer (SIMS) vid DOE:s EMSL, en vetenskaplig användaranläggning. "Vi är en av få grupper som kan göra SIMS -analys av vätskor och vätskegränssnitt, "sa Yu." De flesta ställen måste torka upp provet eller använda andra massmetoder. Det gör vi inte. "

Yu tillsammans med Juan Yao och Dr Zihua Zhu analyserade masspektrometerdata med insikter från sina synteskollegor.

De genomförde också en rad experiment som kombinerade den prisbelönta SALVI-tekniken. SALVI, eller system för analys vid flytande vakuumgränssnitt, tillåter avbildningsinstrument som kräver att det luftkänsliga joniska vätskeprovet sätts under vakuum för att studera vätskor som reagerar i realtid och i en realistisk miljö. SALVI, tillräckligt liten för att passa i en handflata, kräver så lite som två droppar av en vätska. Teamet använde SALVI med en kemisk dynamisk fotonstråle vid DOE:s Advanced Light Source, en annan vetenskaplig användaranläggning. De hittade stödjande bevis för SWIL -komponenterna, kompletterar SIMS -observationerna.

Vid analys av resultaten från de två tillvägagångssätten och den tidigare teoretiska studien, laget skapade en 3D-karta för vätskan. "Denna forskning öppnade översvämningsportarna, "sa Dr Satish K. Nune, en PNNL -kemist som arbetade med studien. "Det gav många människor nya idéer om SWIL -kemi."

På PNNL, SWIL -forskning fortsätter att ge nya insikter. Yu leder arbetet med att använda SWIL som ett modellsystem för att undersöka lösningsmedelsstruktur via SALVI vid DOE -ljuskällor. Heldebrant studerar hur man manipulerar SWIL -strukturer för att effektivt fånga koldioxid. Nune leder ansträngningar för att använda SWIL för att skörda vatten från luft med mindre energi.